Projektbeispiele

VELGASPREVENT

Entwicklung einer geophysikalischen Bohrloch-Messtechnologie zur Präventiverkundung der Gasausbruchs-gefährdung im Abbauvorfeld der Lignitgrube „Premogovnik Velenje“ (Slowenien)

Das Ziel des internationalen FuE-Projektes ist die Schaffung einer Mess- und Interpretationstechnologie zur Vorauserkundung gebirgsmechanischer Gefährdungs-bereiche in Form von unvorhergesehenen Gas-Kohleausbrüchen über die geophysikalische Vermessung von langen Horizontalerkundungsbohrungen ins unverritzte Vorfeld. Das Forschungsvorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit im Rahmen des Programmes „Förderung der Erhöhung der INNOvationskompetenz mittelständiger Unternehmen“ (PRO INNO II) gefördert.

 

Kooperationspartner:
• Bo-Ra-tec GmbH, Weimar
• Brunnen- und Bohrlochinspektion GmbH, Gommern
• Kali-Umwelttechnik GmbH, Sondershausen
• Premogovnik Velenje, Velenje, Slowenien
• Technische Universität Clausthal, Institut für Geophysik, Clausthal-Zellerfeld
• Geophysik Support Klaus Lorenz, Steinbach
• Fraunhofer Institut Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Dresden

Hintergrund
Die slowenische Lignitgrube „Premogovnik Velenje“ fördert Hartbraunkohlen aus 20 m bis 160 m mächtigen Flözen im Strebbau-Verfahren. Das linsenförmige Kohleflöz ist 8,3 km lang und 1,5 km bis 2,5 km breit und lagert in 200 m bis 500 m Tiefe. Die Grube versorgt das benachbarte Šoštanj Wärme-Kraftwerk mit jährlich ca. 4 Mio. t Rohbraunkohle. Mit einem Anteil von mehr als 30 % an der Elektroenergiebereitstellung für Slowenien hat dieses Kraftwerk strategische Bedeutung für die Gewährleistung der Stabilität der Wirtschaft des EU-Beitrittlandes Slowenien.
Aufgrund mehrerer die Lagerstätte durchziehender tektonischer Störungen herrscht eine komplizierte Abbausituation vor. Insbesondere in tektonisch überprägten Bereichen besteht die Gefahr von plötzlichen, nicht vorhersehbaren Ausbrüchen von Gas und Kohlestaub. Seit der Produktionsaufnahme der Grube vor mehr als 100 Jahren kam es infolge dieser Gas-Kohleausbrüche zu mehreren folgenschweren Unfällen, bei denen Tote zu beklagen und erhebliche, irreversible Schäden am Grubenausbau und an der Grubentechnik zu verzeichnen waren.

Erkundung des Schlossberges Quedlinburg

Die Fundamente der Bauwerke mit der Stiftskirche St. Servatius –geweiht 1129– wurden in Sandsteinen der Unterkreide gegründet. Der Gebäudekomplex ...

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Wie stabil ist das Grubengebäude?

Zur Gewährleistung der Langzeitsicherheit im Bereich der Grubenfelder einer Reihe von stillgelegten Kalibergwerken im Südharz- und Saale-Unstrut-Kaligebiet sind nach der Einstellung der Förderung umfangreiche Verwahrungsmaßnahmen erforderlich geworden, die vor allem dem Schutz der Tagesoberfläche dienen. Dabei sind .....

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Geophysikalische Erkundung eines Hartgesteinvorkommens

Ist die Lagerstätte abbauwürdig?

Im Rahmen der Lagerstättenplanung der Rheinischen Kalksteinwerke Wülfrath war die Kali-Umwelttechnik GmbH mit der geophysikalischen Prospektion zur Einschätzung der Abbauwürdigkeit eines Kalksteinvorkommens beauftragt. Das Erkundungsprogramm beinhaltete die folgende detaillierte Aufgabenstellung:

• Nachweis der Kalksteinkomplexe und Abgrenzung dieser gegen das Nebengestein. Zum Nebengestein gehören hauptsächlich Schluffsteine und Tonschiefer.
• Ermittlung der Tiefenerstreckung des Kalksteinkomplexes.
• Feststellung von Anomalien der Lagerstättenstruktur, z. B. tektonisch bedingte Störungen (Verwerfungen, Faltungen), subrosionsbedingte Phänomene, Diskordanzen u. a.
• Bestimmung des Schichteinfallwinkels innerhalb des Kalksteinkörpers.
• Ermittlung der Mächtigkeit der Lockerbedeckung über dem abbauwürdigen Kalkstein und deren Variation.
• Empfehlungen zu Bohransatzpunkten für das nachfolgende Bohrprogramm.

Zur Klärung dieser Fragen hat die K-UTEC unterschiedliche geophysikalische Erkundungsverfahren eingesetzt, die sich in ihrer Aussagekraft hinsichtlich der Aufgabenstellung optimal ergänzen:

Seismik:	Refraktions- (Ra-S) und Reflexionsseismik (Rx-S)
Geoelektrik:	Gleichstromgeoelektrik (2D mit Multielektrodenanordnung)
Bohrloch-Radar:	Dipol- (gerichtete) und ungerichtete Messungen

Ein seismisches Profil über das Erkundungsobjekt ist im folgenden Bild dargestellt. Aus den Ergebnissen der seismischen Messungen können wesentliche Aussagen über den Verlauf der Oberkante des Kalksteinkomplexes mit seinen Schwankungen und über sein Einfallen abgeleitet werden. Damit ist gleichzeitig die Mächtigkeit der Lockergesteinsbedeckung festgelegt. Darüber hinaus ist in den Seismogrammen das Vorhandensein von Störkörpern (hier tonige Einlagerungen, Iberg Kalk, Sandstein) gut zu erkennen.

Aus der Gleichstromgeoelektrik gewinnt man eine Widerstandsverteilung des untersuchten Untergrundes. Die verschiedenen Gesteinsarten weisen ein typisches Widerstandsverhalten auf, so daß die gemessenen Werte bestimmten Gesteinsschichten zugeordnet werden können. Im nächsten Bild ist beispielhaft eine Zuordnung von in situ gewonnenen Widerstandswerten zu den bei der Bohrerkundung im Angertal angetroffenen Gesteinen dargestellt. Die Ergebnisse der Geoelektrik unterstützen die Aussagen, die mit der seismischen Erkundung erlangt wurden.

Mittels Bohrlochradar können neben der Neigung von Schichten die Lage und Ausdehnung von Verkarstungszonen nachgewiesen werden. Anhand der Eindringtiefe der Radarwellen kann eine grobe Qualitätseinschätzung des Kalksteins vorgenommen werden.

Durch die Zusammenführung aller geophysikalischen Meßergebnisse als komplexe Interpretation wurden zuverlässige Aussagen über den untersuchten Gesteinskomplex erreicht:

• Lagerungsverhältnisse des Kalksteins
• Neigungswinkel der Schichten in Abhängigkeit der Tiefe
• Einfallsrichtung
• Verwitterungsgrad
• Vorhandensein, Lage und Ausdehnung von Kluftsystemen
• Grenzen des Kalksteinvorkommens

Komplexe Baugrunduntersuchung am Schloß Sondershausen

Ist der Baugrund tragfähig?

Das historisch bedeutende Bauwerk des Sondershäuser Schlosses weist starke Bauschäden auf. Der gegenwärtige Bauzustand erfordert dringend Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen zur Gewährleistung der Standsicherheit. Eine erfolgreiche Bauwerkssicherung und –sanierung setzt jedoch eine Klärung der Schadensursachen und deren perspektivische Entwicklung voraus. Die vorhandenen Schadensbilder in Form von Rissen, Setzungserscheinungen und Schiefstellungen weisen darauf hin, daß die Schäden größtenteils im Baugrund einschließlich des tieferen Untergrundes ihre Ursachen haben.

Im Rahmen einer komplexen Baugrunduntersuchung war die Kali-Umwelttechnik GmbH damit beauftragt, in interdisziplinärer Arbeit zwischen Geologie, Geophysik, Geomechanik, Bodenmechanik, Baustatik und Architektur die Ursachen für die Gründungsschäden zu ermitteln und darauf aufbauend Sanierungsvorschläge zu erarbeiten.

Auf dem Lageplan des Schloßkomplexes sind die Profile einiger geophysikalischer Messungen eingetragen. Für das gesamte Untersuchungsprojekt wurden folgende geophysikalische Verfahren eingesetzt:  

• Seismik: Refraktionsseismik, Reflexionsseismik, Ultraschallseismik (Sonar)
• Seismische Tomographie
• Geoelektrische Tomographie – sogenannte Pseudosektionen
• Gesteinsradarmessungen / Oberflächenradar und Bohrlochradar
• Radartomographie.

Neben diesen Oberflächen- und Bohrlochverfahren wurden auch Mauerwerksuntersuchungen mit dem Radarverfahren durchgeführt sowie eine geophysikalisch-geotechnische Bewertung der Erkundungsbohrungen selber vorgenommen. Mit einem vielfältigen Meßprogramm konnten detaillierte Aussagen zur Mächtigkeit und Beschaffenheit der Lockergesteinsschicht und der Beschaffenheit des Baugrundes (Buntsandstein) getroffen werden.

 

Beispielsweise erhält man aus den seismischen Messungen eine Geschwindigkeitsverteilung des Buntsandsteins im Bereich des Schloßkomplexes, wie im vorangegangenen Bild dargestellt ist. Diese läßt direkt Rückschlüsse auf die Festigkeit des Buntsandsteins und damit auf die Baugrundfestigkeit zu. So werden Bereiche mit niedriger Geschwindigkeit als stark verwittert oder zersetzt interpretiert, während hohe Geschwindigkeiten auf kompaktes Gestein zurückzuführen sind.

Anhand der durch die seismischen Messungen ermittelten Oberfläche des Buntsandsteins und der bekannten Topographie des Geländes kann die Mächtigkeit der Lockergesteinsbedeckung über dem Buntsandstein angegeben werden. Eine Darstellung der unterschiedlichen Aufschüttungen ist nachfolgend zu sehen.

Als weiteres Beispiel für die Meßergebnisse dient eine elektromagnetische tomographische Untersuchung. Mit dem Bohrlochradar wurde die Geschwindigkeit und Dämpfung von elektromagnetischen Wellen zwischen jeweils zwei Bohrungen ermittelt. Im hier vorgeführten Beispiel lagen die Bohrungen nicht parallel sondern schräg zueinander. Die entsprechende Strahlenmatrix für die tomographische Meßreihe zeigt folgendes Bild:

Als Meßergebnis ergaben sich die abgebildeten Tomogramme der Geschwindigkeit bzw. des spezifischen elektrischen Widerstandes. Die bei beiden Parametern detektierte Zone im mittleren Bereich zwischen den beiden Bohrungen (blau) wird als Zone erhöhter Klüftigkeit angesprochen. Aufgrund der gemessenen Absolutwerte kann jedoch ausgeschlossen werden, daß Hohlräume größeren Ausmaßes im Untergrund liegen.

 

Mit den geophysikalischen Untersuchungen am Schloß Sondershausen konnte der Aufbau und die Qualität des Baugrundes plausibel abgebildet werden. Neben dem Nachweis von Klüften und Störungszonen unterschiedlicher Ausdehnung wurden Areale aufgezeigt, die sich durch eine hohe Lockerschichtmächtigkeit auch in Form von Aufschüttungen oder stark verwitterten Buntsandstein auszeichnen und damit einen mangelhaften Baugrund repräsentieren.